不同掺量TLA改性沥青高温性能及评价方法研究

柳 毅

(新疆维吾尔自治区交通规划勘察设计研究院， 新疆 乌鲁木齐 830000)

0 引言

特立尼达湖沥青(TLA)以耐老化性能好、温度敏感性小、动稳定度和承载能力高、低温抗开裂性能高等优点，于20世纪初已在美国、英国、德国等国家应用，并取得良好的使用效果[1]；上世纪80年代左右，我国北京、河北、浙江、广东等地也逐步开始推广研究，查旭东等[2]依托佛山环城快速干线工程，进行了不同掺量TLA改性沥青混合料的路面性能研究，试验结果表明40%TLA改性沥青混合料对路面抗水损害、抗裂性能具有良好的效果；李闯民等[3]采用灰分试验确定了TLA改性沥青中TLA的最小掺量，并基于相关技术指标与TLA掺量之间的关系，推荐满足现有规范要求的最佳TLA掺量；冯新军等[4]通过在高等级公路路面中掺入TLA沥青和SBS改性沥青进行分析，对比发现TLA改性沥青能明显改善路面路用性能，与普通混合料施工工艺基本一致，且比SBS改性沥青价格更低，能取得良好的社会、经济效益；李平等[5]通过对TLA分离的灰分进行相关试验，研究TLA的改性作用机理，发现灰分凭借粒度小、比表面积大且粗糙等特性，能改善TLA改性沥青高温性能。

TLA以其独特的优势在国外各项目中已推广应用，但在我国实际应用相对较少，其主要原因为：国内尚无完善且准确的评价方法和指标，由于TLA中地沥青与灰分的影响，我国现有规范对TLA改性沥青的各项性能评价分析存在不足，现有方法评价结论与沥青及沥青混合料在实际应用中的性能表现存在较大差异[6-9]。

本文采用软化点、DSR、MSCR等国内外现有评价沥青高温性能试验方法，对不同掺量的TLA改性沥青进行定量评价，并与沥青混合料车辙试验进行相关性分析，以期选取更为有效的TLA改性沥青高温指标评价方法及沥青混合料中最佳TLA掺量，为以后研究学者制定TLA改性沥青相关性能标准评价方法及实际施工中混合料的TLA掺量提供参考。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

本次试验基质沥青选用镇海70#A级道路石油沥青，其各项技术指标见表1，选用的TLA由佛山市某沥青公司提供，技术指标如表2所示，2种材料各项指标均符合相关规范要求。

同时，本次车辙试验用选用玄武岩材质的集料、石灰岩质矿粉，均满足现有规范要求。

表1 基质沥青技术指标类别针入度(25 ℃,5 s,100 g)/0.1 mm软化点/℃10 ℃延度/cm15 ℃延度/cm60 ℃动力黏度/(Pa·s)135 ℃旋转黏度/(Pa·s)闪点/℃溶解度/%TFOT后质量变化/%残留针入度比(25 ℃)/%残留延度(10 ℃)/cm残留延度(15 ℃)/cm规范要求60～80≥46 ≥20≥40≥180—≥260≥99.5≤±0.8≥61≥6≥15试验结果74 48.6>100>1001980.327499.80.18185>100试验方法T0604T0606T0605T0605T0620T0625T0611T0607T0609T0604T0605T0605

表2 TLA沥青技术指标类别针入度(25 ℃,5 s,100 g)/0.1 mm软化点/℃灰分/%25 ℃密度/g·cm-3 TFOT残留针入度比/%规范要求60～80≥9033～381.3～1.5≥50试验结果2.99436.31.34964试验方法T0604T0606T0611T0607T0604

1.2 试验方案

TLA由于自身含有较多的矿物颗粒，其密度比基质沥青密度大，为避免配制TLA改性沥青发生离析情况，本次试验中配制的TLA改性沥青均为随配随用，具体拌制方法如下：将基质沥青和TLA沥青加热至155 ℃后，按照相应比例进行拌和，并将烘箱温度提升至160 ℃，继续搅拌，使2种沥青完全相融，随即制备各种试验的试件。

将制备好的TLA改性沥青试件依据国内现有质量技术要求和国内外沥青高温性能评价方法进行试验，主要采用软化点、135 ℃黏度、DSR、MSCR试验对TLA改性沥青进行高温评价。进行DSR试验测车辙因子的起始温度为56 ℃；MSCR试验温度为64 ℃；由于TLA改性沥青的60 ℃动力黏度过大，故不再进行动力黏度试验。

参照《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)[10]中相关要求进行AC-13C混合料配合比试验，级配组成见表3，并在60℃时进行车辙试验。

表3 AC-13C混合料级配不同筛孔(mm)的通过率/%1613.29.54.752.361.180.60.30.150.07510097804933282215118

2 试验结果及数据分析

2.1 旋转黏度及软化点试验分析

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)[11]相关试验要求，对不同掺量的TLA改性沥青进行基本性能试验，试验结果见表4。

表4 不同掺量TLA改性沥青技术指标TLA掺量/%25 ℃针入度/0.1 mm135 ℃黏度闪点/℃溶解度/%灰分/%TFOT后残留针入度比/%软化点/℃1066.30.3827890.44.296.449.81557.70.4428089.16.395.851.42049.60.5127687.67.893.851.92542.20.5328486.19.791.552.63037.20.6128684.311.490.253.23533.50.5828782.112.887.854.74029.60.7228580.414.383.855.24527.50.8828878.615.877.855.85026.30.9328877.718.270.356.4

根据《规范》[10]中对TLA改性沥青的要求，掺量为10%、15%不满足相关技术要求，掺量为20%、25%符合TMA-50技术要求，30%、35%、40%、45%、50%满足TMA-30技术要求，并结合表1与表2中相关数据对各掺量的黏度和软化点进行分析。

图1为不同TLA改性沥青掺量下的软化点及黏度值,由图1可以看出，随着TLA掺量增加，TLA改性沥青软化点增大，而135 ℃黏度值离散性较大、规律性不强。分析其原因主要为：TLA中原有矿物成分与沥青具有良好的黏结作用，与基质沥青充分拌和后的沥青胶浆具有一定TLA特性，由于矿物成分的黏附作用，其软化点将增大；而按照规程[11]中T0625—2011进行135 ℃旋转黏度时，需将制备的试件放入135 ℃烘箱中保温1.5 h，TLA沥青胶浆由于矿物成分与沥青密度不一致易产生离析，使得试验结果离散性较大，难以进行评价。

图1 不同掺量TLA改性沥青软化点及黏度值

2.2 DSR试验分析

DSR为美国PG分级标准原评价标准方法，在测定沥青黏弹性指标时，具有重复性好、精度高、人为干扰少、可行度高等优势[11]。通过在ω为10 rad/s(频率为1.502 Hz)条件下，测得沥青材料的复数模量G*和相位角δ，黏性成分G*/sinδ越大，剪切柔量越小，高温性能越好，原样沥青G*/sinδ不小于1.0 kPa，短期老化沥青G*/sinδ不小于2.2 kPa。对不同掺量TLA改性沥青进行DSR试验，结果如图2、图3所示。

由图2和图3试验结果可知，不同掺量的TLA改性沥青对应不同的耐高温温度，本次所选用70#基质沥青、10%掺量TLA改性沥青对应的最高耐高温度为70 ℃，15%掺量以上TLA改性沥青耐高温温度均超过76 ℃；同时，随着TLA掺量增加，TLA改性沥青耐高温性能呈上升趋势，且掺量为30%时，曲线斜率大、提升趋势最明显，说明在提高TLA改性沥青高温性能方面，存在最佳TLA掺量。

图2 原样沥青DSR试验结果

图3 短期老化沥青DSR试验结果

2.3 MSCR试验

MSCR为AASHTO中对沥青高温性能评价最新试验方法，其主要试验步骤为：采用DSR中应力控制模式，沥青在0.1 kPa和3.2 kPa的应力水平下，进行1 s和9 s卸载，重复10个周期。卸载时沥青发生的变形能部分恢复，以此更好地模拟沥青在高温反复受力时的变形过程。本文不再分析TLA改性沥青应力敏感性，故不对Jnrdiff进行分析，仅对试验结果中不可恢复柔量变量Jnr0.1和Jnr3.2、变形恢复率R0.1和R3.2进行分析，Jnr越小表明其高温性能越好，R越大其恢复性能越好。为保持试验结果的对比性，本文仅在64 ℃时进行MSCR试验，其试验结果如图4、图5所示。

由图4可以看出，Jnr0.1与Jnr3.2均随TLA掺量增加而减小，说明TLA改性沥青随TLA掺量增加其高温性能逐渐提高，但Jnr3.2比Jnr0.1减小的幅度小，其主要原因是在低应力水平条件下，恢复应变的主要是基质沥青，TLA在应变恢复中所占比例不大，随着掺量和应力水平提高，TLA在应变恢复中所占比例逐步提高，不可恢复柔量值均变小，其恢率复也逐步变大，与图5中变形恢复率相一致。

图4 不同掺量TLA下的不可恢复柔量

图5 不同掺量TLA下的改性沥青变形恢复率

2.4 车辙试验

根据规范相关要求、试验经验、施工现场等方面因素，AC-13C对应的油石比宜为4%～6%，但由于TLA中含有一定量的灰分，其油石比增大约0.5%左右[5]。经试验，基质沥青最佳油石比为5.2%，故本次试验TLA改性沥青混合料的油石比选5.7%，并按照规范要求进行车辙试验，其试验结果如表5所示。

由表5可以看出TLA能明显提高沥青混合料的高温性能，10%、15%掺量TLA改性沥青混合料的动稳定度不满足规范要求，在30%掺量时动稳定度提高较为明显。

表5 不同掺量(%)TLA改性沥青混合料动稳定度(次·mm-1)01015202530354045501 5262 4372 7593 1673 4353 8294 0334 2064 3524 483

将不同掺量TLA改性沥青的软化点、黏度、车辙因子(70 ℃)、Jnr0.1、Jnr3.2与宏观沥青混合料车辙试验动稳定度(取对数)进行相关性分析，其分析如表6所示。

表6 动稳定度与不同试验参数的关系项目软化点/℃黏度/(Pa·s)车辙因子/(G*·sin δ-1)Jnr0.1/(kPa-1)Jnr3.2/(kPa-1)与动稳定相关系数(R2)0.936 10.945 80.9540.986 20.998相关系数表达式y=2.991 3 ln(x)+49.19y=0.132 8 ln(x)+0.365 5y=1.895 2 ln(x)+1.023 1y=-0.751 ln(x)+1.837y=-1.301 ln(x)+3.532 2

从表6可以看出，MSCR测得的Jnr3.2与TLA改性沥青混合料高温性能相关性最优，其次为Jnr0.1，软化点、黏度与动稳定度相关性相对较差。推荐采用Jnr3.2作为评价TLA改性沥青高温性能指标的方法。

3 结论与建议

1)掺入TLA改性沥青后对沥青、沥青混合料高温性能均有较大改善，且30%掺量时对高温性能改善最优。

2)利用MSCR测得的Jnr3.2较软化点、黏度、车辙因子等与动稳定相关性最好，推荐作为评价TLA改性沥青高温性能的试验方法。

3)由于存在灰分等因素，TLA改性沥青的黏度具有一定离散型，不建议将其作为评价TLA改性沥青高温性能的指标。